第１回PF-UAサマースクール

放射光マルチビーム実験

KEK物質構造科学研究所 放射光実験施設
船守展正
２０２３年９月１９日

PF, PF-AR
４８ Beamlines
２３ UG （PF-UA）
１０ methodological G （PF）
６ subcommittees （PF-PAC）

PF39本、PF-AR9本

開発研究多機能ビームラインの整備開発研究多機能ビームライン
フェイルセーフ機構を備え自在な実験アレンジが可能な新概念ビー
ムラインをPFに建設、シングルビーム利用のR&Dと人材育成に加え、新放射光源施設におけるマルチビーム利用のためのR&Dを推進する。
実験配置例 （上）広いエネルギー領域の放射光技術開発に対応するSXブランチとHXブランチの2ブランチ構成の基本配置と（下） SXとHXの２ビームを同時に試料に照射するマルチビーム利用配置

BL-12A 広波長域軟X線ビームライン（50 – 5000 eV）
2023年度 SXパス、TXパスの建設（完成予定）
BL-11A, -11B 開発研究多機能ビームライン2023年度 基幹部、メインハッチ部の建設、 2024年度 SX・HXブランチ部の建設（完成予定）

開発研究多機能ビームラインの性能
2ビーム利用モードでの性能

注) 今後の検討次第で軽微な変更の可能性あり

SXブランチフラックス重視

SXブランチ
分解能重視

HXブランチサイズ@仮想光源

0.5mm(H)x0.2mm(V)

0.5mm(H)x0.05mm(V)

0.3mm(H)x0.03mm(V)エネルギー領域50-1800 eV

50-1800 eV

4-13 keV

エネルギー分解能(E/ΔE)> ~1000> ~5000~104~1010 ph/s
(109 @1800eV)~109 ph/s~1011 ph/s

〇×△(要高さ調整)

フラックス@仮想光源
白色利用

仮想光源より下流は最終集光素子含めて自由に実験配置を展開することが可能
試料位置より下流に十分な広さのスペースを確保

建設チーム代表： 若林大佑
daisuke.wakabayashi@kek.jp

フリーBL-11A, -11B & BL-12A
写真（２０２３年９月１９日）

文科省ロードマップ2023
６月３０日 申請書提出

https://www.mext.go.jp/b_menu/boshu/detail/mext_00301.html

計画名称
物質・生命科学の研究分野を深化・融合・創成する放射光マルチビーム実験施設
提案要旨
ＫＥＫでは、次の１００年のサイエンスを先導する新放射光源施設の計画を推進している。新施設で展開される放射光マルチビーム実験では、同一物質中の２つの現象や異なる元素に起因した現象の相関計測、異なる時空間スケールの現象の同時計測、放射光照射によって励起される過渡的な反応・相転移の観察など、異なる空間スケール・時間スケール・波⾧特性を持つ複数のビームを組み合わせた測定が可能となる。シングルビームからマルチビームへの拡張は、分野や手法の融合と創成を促進し、世界の放射光科学の新しい潮流となる。
提案者
山内正則

KEK機構⾧計画代表者
小杉信博 IMSS所⾧

連携機関
UVSOR、HiSOR
サポートレター
日本放射光学会、日本加速器学会、物性委員会、PF-UA図１

放射光マルチビーム実験による物性起源の解明
KEKの新放射光源施設は、放射光マルチビームによる新分野・新手法を開拓、放射光科学の新時代を牽引する

 超伝導、強磁性、強誘電性、強弾性など、物質が顕わす物理現象の多くは、ドメインを形成して発現する不均一で動的な現象である。また、触媒や電池などで起こる化学反応の多くも過渡的なドメインを形成して進行することが知られている。
 これらの物理現象や化学反応は実用的にも重要で、人類の持続的な発展には、それらを深く理解し、制御することが求められる。

SRシングルビーム

物質の電子状態を観測

光電子分光装置

軟Ｘ線

時間変化する
ドメイン構造を持つ物質

硬Ｘ線

SR+SRマルチビーム

エネルギー
スペクトル
電子のエネルギ
ー

軟Ｘ線

硬Ｘ線

物質の原子配置を観測

Ｘ線回折装置
回折パターン電子状態と原子配置を同じ物質で測定する。
広波⾧域光源では測定手法と測定対象を拡大できる。

SP

電子のエネルギー状態密度SR

軟Ｘ線

時間

時間

電子のエ
ネル
ギー

状態密度

硬Ｘ線

時間

SR+SPマルチビーム

状態密度

電子のエ
ネル
ギー

バン
ドギ
ャ
ップ
状態密度

物質の電子状態と原子配置を同じ試料の同じ部位を同じ時間に測定するため、電子状態と原子配置の相関を解明できる。

ドメイン境界は特異物性発現の鍵

時間
SPビームの時空間特性を活かして、ドメイン間の不整合により発現する新奇な電子状態を探索、特異物性の起源の解明を目指す。

同一物質中の２つの現象や異なる元素に起因した現象の相関計測、異なる時空間スケールの現象の同時計測、放射光照射によって励起される過渡的な反応・相転移の観察など、異なる空間スケール・時間スケール・波⾧特性を持つ２ビームを組み合わせた測定が可能になり、世界の放射光科学の新しい潮流となる。既存の分野・手法の融合が進み、新分野・新手法が創成される。

図２

学術的意義

KEKの新放射光源施設は、広波⾧域利用・マルチビーム利用の新潮流を生み、放射光科学の深化・融合・創成のサイクルを先導する

融合性：
学問領域を融合

放射光マルチビーム実験施設
自由な発想を生かす寛容な施設
多様性・柔軟性・拡張性を持つ施設
萌芽的・独創的・開発的・⾧期的な実験

SR＋SRマルチビームによる手法・分野の融合
放射光マルチビーム利用のために異手法・異分野の研究者が議論することで、手法・分野の融合が促進される

SR＋SPマルチビームによる新手法・新分野の創成

融合
人材育成
萌芽的・独創的・開発的・⾧期的な実験を通した人材育成
施設の初期の建設と将来の高度化を通した人材育成

総合性：
広範な学術研究を深化
広波⾧域SRシングルビームによる手法・分野の深化
放射光ビームの広波⾧域化により、測定手法と測定対象が拡大し、広範な手法・分野の深化が促進される

挑戦性：
新たな知を創成

SPビーム（fs/nm特性）の導入により、「物質・生命が示す多彩な機能の根源の解明」のための新手法・新分野が創成される

創成

低電力設計により、学術研究・人材育成に重要な運転時間を確保深化
次の100年のサイエンスを先導する研究基盤として計画、20-30年後に想定されるポストマルチビーム時代における深化・融合・創成のサイクルは未来の研究者に託される

国際性
世界を先導する新潮流
世界的な光源の高輝度化と手法の細分化の潮流がある
新施設は、広波⾧域利用・マルチビーム利用の新潮流の源となり、放射光科学の深化・融合・創成を先導する

蓄積リング

図７-２

蓄積エネルギーの切り替えにより広波⾧域を実現、挿入光源のタンデム配置によりマルチビーム実験を可能にする
蓄積リングのコンセプト
100年後を見据えた、高い基本性能、高い自由度・拡張性、広い分野・手法への対応、現実的な建設と運転のコストの広波⾧域・タンデム光源
蓄積リングの基本パラメーター
リング周⾧： 750 m
蓄積エネルギー・蓄積電流： 2.5 GeV・500 mA ＆ 5.0 GeV・200 mA
エミッタンス： 0.25 nmrad @ 2.5 GeV ＆ 1.0 nmrad @ 5.0 GeV
セル数： 24（各セルに⾧直線部と短直線部を配置、⾧直線部でマルチビーム実験、40本以上のビームラインを設置可能）
消費電力： 4.7 MW（2.5 GeV : 5.0 GeV = 3 : 1 の運転時間を仮定、現行施設は 10.7 MW）
輝度スペクトル

配置図

蓄積エネルギーの切り替えにより、建設と運転のコストを抑制しながら広波⾧領域に対応する。⾧直線部に低エネルギー用と高エネルギー用の２台の挿入光源をタンデムに配置すれば、10 eV ~ 100 keV の広波⾧域の高輝度ビームの利用が可能になる。
さらに、挿入光源の組み合わせにより、目的に応じたマルチビームの利用が可能になる。2.5 GeV と 5.0 GeV のような大きな切り替えは世界的にも前例がないが、設計段階から準備することで実現できる。

文科省ロードマップ2023

文科省ロードマップ2023

新放射光源施設計画WEB

本日、PF-HLSのパンフレットを公開
https://www2.kek.jp/imss/pf/pf-hls/

https://www2.kek.jp/imss/pf/pf-hls/library/PF-HLS_202309_v1.pdf

https://www2.kek.jp/imss/pf/pf-hls/library/PF-HLS_202309_v1.pdf

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